濃縮技術在茶葉中的應用及研究進展

陳曉維，余元善*，鄒 波，胡騰根，方廣平，黃通余

（1.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所，農業農村部功能食品重點實驗室，廣東省農產品加工重點實驗室，廣東廣州 510610；2.東源縣仙湖山農業發展有限公司，廣東河源 517583；3.河源市吉龍翔生物科技有限公司，廣東河源 517149）

隨著現代化進程的加快和快節奏生活的到來，營養、健康、方便的食品越來越受到人們的青睞，其中茶因具有豐富的營養價值、保健功效以及獨特的風味而深受人們的喜愛。特別是茶飲料，其自身的特性符合當今飲料行業追求“天然、健康、營養、功能性”的趨勢，且優于調味茶，已成為健康時尚的消費品[1]。

濃縮是茶飲料行業的一種常見技術，可以減少茶汁的體積，從而降低運輸、儲存和包裝的成本。此外，由于水分活度降低，濃縮茶汁比原茶汁更穩定，且更耐微生物腐蝕。茶濃縮汁是以茶葉為原料，水為溶劑，經提取、冷卻、過濾、濃縮、殺菌、灌裝等工藝加工而成的茶深加工產品[2]。其中濃縮是茶濃縮汁加工過程中非常重要的操作單元，也是影響茶濃縮汁的得率、風味、穩定性及加工成分的主要因素之一。為了最大限度地保留原茶的風味、獲得較高的濃縮比和濃縮效率，濃縮技術在茶濃縮汁生產中得到了發展[3]。本文對目前常用的茶葉濃縮技術（真空濃縮、冷凍濃縮、膜分離濃縮等）的原理、特點進行了綜述，并展望了不同濃縮技術的發展前景與趨勢，以期為茶葉濃縮新技術的研究與開發提供一定的理論依據。

1 茶葉濃縮的方法

1.1 真空濃縮技術

真空濃縮又稱減壓濃縮，是指利用水的沸點降低，在較低的真空度下將水分或其他溶劑蒸發掉的一項技術[4]；即在減壓條件下加熱，降低茶提取液的沸點，使提取液中的水分迅速蒸發的一種濃縮方法。傳統的多效真空濃縮是在真空條件下蒸發水分，與常壓條件相比，能縮短濃縮時間，是目前茶濃縮汁生產中使用最廣泛的濃縮方法。但由于此方法在濃縮過程中要加熱和抽真空，在此過程中，熱敏性物質、芳香物質、色素等成分容易發生氧化，使茶濃縮汁的香氣、色澤、滋味都發生劣變，導致茶濃縮汁的品質下降，繼而導致用茶濃縮汁生產的茶飲料產品質量下降。余煉等[5]研究了真空濃縮過程中芒果汁香氣成分的變化，發現隨著芒果汁濃度的不斷提高，各組分含量降低，而且濃縮芒果汁的糖度越高，香氣物質含量減少越多。

為了更好地克服這些缺點及保存新鮮茶湯中的營養成分，新的真空濃縮技術被開發出來，如低溫真空濃縮技術和常溫真空濃縮技術。低溫真空濃縮技術是指將物料放置在一定真空度條件下，物料中的水分被蒸發掉的濃縮。由于在蒸發室中水分蒸發的同時帶走了大部分的熱量，使得產品的溫度下降，這時產品溫度過低，不利于蒸發的進行，因此需要用設備自帶的熱泵，產生40 ℃的熱水對產品進行循環加熱，保證產品控制在一個適當的溫度，而且全部加工過程中可以通過觸摸屏控制，自動化程度極高[6]。將低溫真空濃縮技術應用在濃縮茶汁中能很好地保留茶湯的色澤，但由于沒有香氣回收裝置，對茶湯的香氣影響較大，從而使茶濃縮汁的品質下降。常溫真空濃縮技術原理是先將整個系統抽成真空，蒸發室的真空度為0.003 MPa，在此條件下水的蒸發溫度在22 ℃左右。此時無需用泵，利用系統的負壓將物料吸進蒸發室，噴成霧狀，同時水分被蒸發掉，產品通過離心泵再次打回蒸發室進行循環，達到要求的濃度后出料[7]。與傳統的真空濃縮和低溫真空濃縮相比，不同之處是能在室溫條件下進行濃縮。常溫真空濃縮技術能夠很好地保護產品中的熱敏性成分，同時通過較長的換熱管路，可以將水蒸氣釋放的熱量進行回收利用，冷凝溫度為10℃左右，無需大功率制冷設備，濃縮過程能耗少、效率高。但常溫真空濃縮對蒸發室氣密性、真空泵的要求較高，目前國內設備水平還難以實現。我國茶葉資源豐富，人們對于天然健康茶飲料的需求增加，常溫真空濃縮作為新型濃縮技術，具有廣闊的應用前景。

1.2 冷凍濃縮技術

冷凍濃縮被認為是一種有可能替代蒸發濃縮的方法，它是利用冰與水溶液之間的固液平衡原理，通過冷卻將溫度降到溶液的冰點以下，使溶液中的水分以固態冰的形式去除，達到濃縮的效果[8]。目前冷凍濃縮主要有懸浮結晶冷凍濃縮技術和界面漸進冷凍濃縮技術。

懸浮結晶冷凍濃縮技術的作用原理是不斷排除在母液中懸浮的自由小冰晶，從而使母液的濃度增加而達到濃縮的目的。此法濃縮終點較大，能夠迅速形成純凈的冰晶，濃縮效率高。但由于此法冰晶的生成、成長、分離三個過程是在不同的裝置中完成的，系統復雜、操作要求較高，且成本高、投資較大，未能在更大的范圍推廣。為改善懸浮結晶冷凍濃縮的不足，學者研究開發出了界面漸進冷凍濃縮技術，這是一種沿冷卻面形成并成長為整體冰晶的新型凍結技術。界面漸進冷凍濃縮法的作用原理與懸浮結晶冷凍濃縮法完全不同，是利用隨著冰層在容器冷卻面上生成并成長，在固液相界面，溶質從固相側被排除到液相側的現象進行濃縮的方法。與懸浮結晶冷凍濃縮法相比，界面漸進冷凍濃縮技術的優點是通過冷凍結晶出整體冰面，物料與結晶面接觸面小，易于物料的分離，整個結晶生成、分離及除冰過程均在一套裝置中進行，裝置簡單、操作方便。茶湯中的色素和功能成分等因低溫得到了保護，避免了傳統濃縮過程中物料因加熱發生的各種聚合反應；對于多種溶質的溶液，濃縮過程溫和，不易引起茶湯中成分組成的變化。

冷凍濃縮工業化生產技術被歐美等發達國家壟斷，進口設備昂貴，技術復雜，且大多僅適用于橙汁加工[9]。目前國內冷凍濃縮技術不成熟，且應用于茶濃縮汁方面的報道較少，關于懸浮式和漸進冷凍濃縮設備的報道大多處于中試和小試階段。國內對界面漸進冷凍濃縮技術非常關注，如何控制濃縮終點、提高濃縮效率、降低能耗、界面漸進冷凍濃縮裝置的開發和應用已成為學者們的研究熱點。整體來看，隨著人們生活水平的提高，高品質的茶飲料產品需求巨大，冷凍濃縮是在低溫下運行，可將熱敏性成分和易揮發成分的損失控制在較低水平，能最大限度地保護茶葉中的有效成分，同時可以濃縮到較高濃度，固形物濃度可達50%，在茶濃縮方面具有廣闊的應用前景。

1.3 膜濃縮技術

膜是指在一種流體相內或是在兩種流體相之間存在的一層薄的凝聚相。膜濃縮是利用天然或人工合成的具有選擇透過性的薄膜，以化學位差或外界能量為推動力，使膜兩側的物質能夠按照預定的方向進行移動，從而達到濃縮的效果。膜濃縮技術始于20 世紀70 年代，首先應用于果汁的加工，主要有反滲透膜濃縮、納濾膜濃縮等。

1.3.1 反滲透膜濃縮

反滲透膜濃縮是利用反滲透膜只能選擇性透過溶劑的性質，在膜的一側施加壓力以克服溶液的自然滲透壓，使溶劑逆著自然滲透的方向從溶液中分離出來，從而使得溶質一側濃度增加，產品得到濃縮[10－11]。隨著膜技術的推廣應用，反滲透濃縮技術目前已經應用于茶葉深加工，如用于生產茶飲料、速溶茶等。采用反滲透膜濃縮茶葉浸提液，證實了反滲透膜濃縮茶汁的可行性[12]；張遠志等[13]利用反滲透膜濃縮綠茶汁，研究發現反滲透膜低溫濃縮綠茶汁對物理護色，減弱熟湯味有明顯的效果；胡建農等[14]運用反滲透膜分離技術生產濃縮烏龍茶飲料，極大地提高了產品的質量；Schreier 等[15]利用反滲透膜濃縮紅茶提取液，結果發現濃縮后干燥制得的速溶紅茶具有原茶香味和冷溶性。

1.3.2 納濾濃縮

納濾濃縮技術是膜孔徑介于超濾膜和反滲透膜之間的一種以壓力作為驅動力的膜分離技術[16]。納濾的操作壓力相對于反滲透技術較低，一般在0.4～2.0 MPa 之間，因此又被稱為“超低壓反滲透”或“疏松型反滲透”。肖文軍等[17]以茶葉深加工制品濃縮前的料液為原料，系統研究了不同截留分子量膜的濃縮效果，結果發現采用300 Da 納濾膜進行濃縮的工效較高；楊繼往等[18]采用納濾濃縮金花茶提取液，濃縮液中茶多酚、總黃酮和茶多糖等有效成分均有一定程度的富集，且色、香、味等均得到了很好的保留；顧正榮等[19]在操作壓力為0.4～0.8MPa 下對綠茶提取液進行納濾濃縮實驗，結果表明，納濾對茶多酚的平均截留率為97.3%。納濾濃縮技術顯著的優點在于膜孔徑小、操作壓力低、膜通量較高，對以離子形式存在的鹽和一些有機分子的去除能力相對較高，而設備投資成本和運行保養的費用卻很低。

1.3.3 滲透蒸餾

滲透蒸餾又稱為等溫膜蒸餾、滲透蒸發、膜滲透濃縮，是基于滲透和蒸餾概念而開發的一種新型膜分離技術，是在兩個水溶液之間進行濃縮的過程。依靠微孔疏水膜兩側溶液表觀滲透壓的不同，兩種溶液中的同一種可揮發性組分如水蒸氣從表觀滲透壓高的溶液穿過膜孔進入表觀滲透壓低的溶液，從而使前者達到濃縮的目的[19]。與傳統的真空濃縮和反滲透濃縮相比，滲透蒸餾濃縮的優點在于能在常溫常壓下操作，即對溶質能以最小的熱損失和機械損失，達到分離或富集的目的。用于茶湯濃縮，可避免茶湯受高溫或高壓的影響，較好地保留茶湯原有的色香味，還能大大減少膜污染的程度，克服反滲透濃縮的缺點[20]。由于滲透蒸餾是新型的膜濃縮技術，其用于茶湯濃縮國內報道的較少，國外的研究始于澳大利亞，目前國外已在工業上應用此法，且擁有滲透蒸餾濃縮方法的專利。

1.3.4 集成膜技術

單一膜濃縮技術有其各自的特點，它們的應用存在很多問題，有一定的局限性。在解決某一具體分離目標時，往往要綜合利用幾個膜，使之各盡所長，這種過程稱之為集成膜技術。集成膜技術可以根據各種膜自身的特點，利用集成的協同作用，突破單一膜的局限性，達到優化、高效、低成本、低能耗及無污染的要求[21]。應用于茶葉濃縮汁，可以突破傳統加工營養損耗大、能耗大等瓶頸問題，從而提高產品質量。目前集成膜技術已被應用于果汁濃縮，如Alfredo 等[22]研究出了一種澄清和濃縮石榴汁的集成膜技術，結果發現，先經過超濾澄清再進行反滲透濃縮的集成膜技術可以用來加工具有高抗氧化活性的果汁。徐貞貞等[23]研究了無機陶瓷膜超濾結合納濾膜組件、無機陶瓷膜超濾結合反滲透膜組件兩種集成膜處理工藝對花青素水粗提液的處理效果，結果表明，兩種逐級膜過濾技術均可用于天然活性成分水提物的非熱澄清及濃縮。隨著集成膜技術商品化應用的推廣，集成膜應用于茶濃縮汁的前景非常廣闊。

2 小結與展望

真空濃縮過程中需加熱、減壓，會對茶濃縮汁的香氣、滋味均產生不利影響，目前通過采用新型的真空濃縮設備，降低濃縮過程的溫度，同時采用香氣回收裝置減少香氣物質的損失。如真空微波蒸發技術發展為一種新型的濃縮方法，微波加熱和真空蒸發體系相結合，可以在低溫條件下快速地實現質量和能量的傳遞。使用真空微波蒸發濃縮，由于產品的快速加熱，在合適的功率和真空狀態下，可以從產品中分離出更多的水分，能有效地保留茶葉濃縮汁的香氣、滋味等，提高茶濃縮汁的質量。

在眾多加工茶葉水提取液的方法中，冷凍濃縮在保留茶汁中的色、香、味等方面是最為有效的，但成本高、設備較為復雜、易產生冷后渾的缺陷，限制了其在茶濃縮汁上的應用。目前，冷凍濃縮過程中存在著冰晶與溶質的分離困難，懸浮式冷凍濃縮和漸進式冷凍濃縮這兩種濃縮方法都會造成不同程度的溶質損失和冰晶的純度低、冷凍濃縮設備復雜、成本高等問題，這些問題都需要進一步研究解決。

膜濃縮在產品的得率、冷溶性、澄清度、風味等方面均有較好的表現，但也存在小分子的溶質流失、膜的濃差極化難以濃縮到較高濃度等缺陷。現階段，膜污染是使用膜濃縮的最大問題，主要表現為隨著運行時間的加長，膜通量和通透性逐漸降低。膜污染的程度決定了清洗的頻率、膜的壽命、所需的膜面積以及成本、工廠的設計和運行。開發新型膜組件、膜設備以及在分離工藝中實現更高的選擇性和滲透性，提高工藝強度和降低成本是膜濃縮技術未來的發展方向。此外，單一膜濃縮受到膜孔徑的限制，膜濃縮的溶質損失率、濃縮倍數以及濃縮成本都較低，可以使用不同膜組合進行濃縮，發揮不同膜過程的優點。

以上幾種濃縮方法各有優缺點，目前茶濃縮汁的濃縮工藝常采用單獨一種濃縮方法，今后，幾種濃縮方法相結合，利用一種濃縮方法的優點彌補另一種濃縮方式的缺點將是茶葉濃縮技術的一種發展趨勢，如膜濃縮和真空濃縮技術結合；同時新的濃縮方法和新的濃縮設備將會越來越多地被應用，如超高壓結合膜濃縮、復合酶法處理茶濃縮汁、高壓脈沖電場結合冷凍濃縮、超聲濃縮、氣體水合物濃縮技術等。